LIFE08/ENV/IT/ UPGAS-LOWC0 2. UP-grading of landfill GAS for LOWering CO 2 emissions LAYMAN S REPORT

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1 LIFE08/ENV/IT/00049 UPGAS-LOWC0 UP-grading of landfill GAS for LOWering CO emissions LAYMAN S REPORT

2 Cos èupgas-lowco? Il proge o UPGAS-LOWCO indaga l applicabilità di due metodi innova- vi per l up-grading del biogas: Assorbimento alcalino con rigenerazione (AwR) e Up-grading del biogas con le ceneri pesan (BABIU). Il proge o è iniziato nel Gennaio 010 ed è terminato a Giugno 01. Cos èilbiogas? Il biogas è un gas, prodo o da impian di diges one anaerobica alimenta con materiali biodegradabili (rifiu organici, colture energe che) o da discariche, composto principalmente da metano (CH 4 ) e anidride carbonica (CO ). UPGAS-LOWCO LAYMAN SREPORT Il biogas sta suscitando sempre più interesse nel campo delle energie rinnovabili, la sua produzione ed il suo u lizzo offrono sviluppi industriali di grande interesse. Il suo u lizzo presenta diversi vantaggi dal punto di vista ambientale, come ad esempio la sos tuzione del gas naturale e la riduzione di emissioni di CH 4 in atmosfera da parte delle discariche. Sono mol i possibili u lizzi del biogas: produzione di vapore ed energia termica, produzione energia ele rica, cogenerazione, u lizzo come combus bile per veicoli e nella produzione di prodo chimici. Cos èl up-grading? L u lizzo del biogas può essere esteso a molte altre applicazioni dopo che ne è stata migliorata la qualità; la rimozione della CO è uno dei principali obie vi per aumentare il suo contenuto energe co. Il processo di purificazione del biogas, denominato up-grading, perme e di produrre un combus bile chiamato biometano in grado di sos tuire a tu gli effe il gas naturale. il biometano può essere immesso nella rete di distribuzione del gas naturale oppure nel circuito di distribuzione dei carburan per veicoli. a ualmente esiste in commercio un ampia varietà di metodi e di tecnologie di purificazione del biogas. WhatisUPGAS-LOWCO? The UPGAS-LOWCO Project is concerned with the set up and demonstra on of two innova ve methods for biogas upgrading: Alkali absorp on with Regenera on (AwR) and Bo om Ash BIogas Upgrading (BABIU). Project started on January 010 and finished on June 01. Whatisbiogas? Biogas, produced in AD-plants, fed with a variety of bio-materials such as waste, energy crops, or in landfills, is primarily composed of methane (CH 4 ) and carbon dioxide (CO ). Among renewable energy sources biogas starts to gain more and more interest interna onally and its produc on and u liza on is a valuable industry field that needs to be more exploited. Its u liza on presents several environmental advantages: u liza on as subs tute for fossil fuels, reduc on of CH 4 release to the atmosphere when captured from landfills. It has different u liza on ways: heat and steam produc on, electricity produc on and/or co-genera on, use as vehicle fuel and produc on of chemicals. Whatisupgrading? By improving its quality, biogas exploita on could be extended to a larger typologies of applica ons. The CO removal is one of the first objec ve in order to increase the energy content of the biogas. The cleaning process of biogas is normally designated as upgrading and it allows to produce a fuel called biomethane which could replace natural gas. Biomethane can be fed into natural gas distribu on grid or used to fuel vehicles. Nowadays a wide range of different methods and technologies are commercially available for cleaning and upgrading biogas.

3 UPGAS-LOWCO LAYMAN SREPORT AwR AwR:Assorbimentoalcalinoconrigenerazione La CO viene rimossa dal biogas per mezzo di assorbimento chimico con alcali in soluzione acquosa alcalina quali l idrossido di potassio o di sodio (KOH or NaOH). Per poter ridurre i consumi di reagen chimici, la soluzione viene messa in conta o dire o con i residui solidi denomina- APC, ricchi di idrossido di calcio (Ca(OH) ): la reazione produce carbonato di calcio (CaCO 3 ) rigenerando i compos alcalini iniziali. Assorbimento (se si usa una soluzione di KOH) KOH + CO K CO 3 + H O Rigenerazione Ca(OH) + K CO 3 CaCO 3 ( )+ KOH CO lean biogas Make-up Regenerated solution ABSORPTION Spent solution REGENERA- Alkaline solid residues Slurry SOLID/ LIQUID CO rich biogas Carbonated solid residues CO removal from biogas is based on chemical absorp on by means of alkali aqueous solu on of potassium or sodium hydroxide (KOH or NaOH). In order to reduce reactant consump on the solu on could be regenerated by contac ng the liquid with APC residues, rich in calcium hydroxide (Ca(OH) ), producing calcium carbonate (CaCO 3 ) and regenera ng the ini al alkali compound. Absorp on (In the case of KOH solu on use) KOH + CO K CO 3 + H O Regenera on Ca(OH) + K CO 3 CaCO 3 ( )+ KOH AwR:AlkaliabsorptionwithRegeneration

4 BABIU: Up-gradingdelbiogasconleceneripesanti La CO viene rimossa dal biogas per mezzo di adsorbimento su residui solidi denomina BA. Dal conta o dire o tra gas (ricco di CO ) e BA si ha la formazione di carbonato di calcio nei residui solidi. La cara eris ca dis n va dei due processi di upgrading propos è quella di rimuovere la CO dal biogas e successivamente stoccarla in forma solida in maniera permanente. Al contrario, gli a uali processi disponibili in commercio rimuovono la CO rilasciandola successivamente in atmosfera. Benché tale CO rappresen un contributo neutrale al bilancio globale dell effe o serra, un processo che rimuove e ca ura la CO può essere considerato un contributo so ra vo di carbonio. Il processo di formazione di carbonato di calcio nei residui solidi (APC e BA) a raverso la ca ura di CO viene chiamato carbonatazione accelerata. BABIU:BottomAshBiogas Upgrading CO removal from biogas is based on adsorp on on BA. From the direct CO -rich biogas/solid BA contact the calcium carbonate in the bo om ash is formed. The dis nc ve feature of the proposed processes is removing CO from biogas together with its permanent storage in a stable solid form. Commercial upgrading technologies, instead, release absorbed CO to atmosphere. This CO is actually a neutral contribu on to Greenhouse gas balance. However, a process that removes and store such CO, acts as a sink for CO emissions. The calcium carbonate forma on in the solid residues (APC or BA) through CO capture, is called accelerated carbona on. CosasonoleAPCeleBA? UPGAS-LOWCO LAYMAN SREPORT Con la sigla APC vengono denomina i residui prodo dal sistema di tra amento dei fumi degli impian di incenerimento dei rifiu : tali residui vengono solitamente classifica come rifiu speciali pericolosi. Con la sigla BA vengono denominate le ceneri di combus one degli impian di incenerimento, le quali rappresentano la parte inerte che solitamente rimane dal processo di combus one e sono ricche di compos di calcio. WhatareAPCandBA? APC stands for air pollu- on control residues, generally classified as hazardous waste, are originated from the exhausts gas treatment of waste incinera on plant. BA stands for bo om ash, generally classified as non hazardous waste, are generated from waste incinera on, as well, basically as the inert material remaining a er the combus on. B.A. Tali residui vengono solitamente classifica come rifiu speciali non pericolosi. A.P.C. Both these type of solid residues are rich in calcium compounds.

5 UPGAS-LOWCO LAYMAN S REPORT Fasi del progetto: Fasi del progetto: Valutazioni preliminari sulle pologie di residui solidi u lizzabili. Test di laboratorio. Studi iniziali di simulazione sulle prestazioni dei reagen chimici. Configurazione dei due sistemi di up-grading, proge*azione, dimensionamento e realizzazione dei due impian pilota. prove su scala pilota dei due processi, studio di diverse condizioni opera ve (quan tà di residui, reagen, concentrazione delle soluzioni, composizione del biogas, etc.) Project s Phases: preliminary evalua ons on type residues to be used laboratory analysis; simula on and preliminary characteriza on on reagents performances system configura on, design, sizing and construc on of the two pilot plants; tests on pilot plant scale of the two proposed processes, several opera ng condi ons were tested (residues amount, reagents, solu on concentra on, biogas composi on etc.);

6 UPGAS-LOWCO LAYMAN SREPORT Risultati: E stata dimostrata la fa bilità di u lizzo dei due processi innova vi al fine di produrre un gas in uscita con un alto contenuto di metano (>90%vol.) simile al biometano. APC e BA hanno dimostrato la possibilità di ca urare in maniera permanente la CO con valori intorno a kg CO / ton APC e 15-0 kg CO / ton BA. sono sta riscontra miglioramen- sulle cara eris che di lisciviabilità di BA e APC ; questo significa che dopo il processo di carbonatazione i residui rilasciano una quan- tà minore di metalli se tenu a conta o con l acqua, riducendo così l impa o generato dal loro smal mento. le quan tà di APC e BA e la loro disponibilità entro distanze ragionevoli danno indicazioni sulle taglie o mali installabili per impian di up-grading basa sui due metodi propos. l efficienza di rigenerazione dei reagen è influenzata da mol fa ori. Results: the two upgrading processes allow to reach high methane purity (>90%vol.), thus to produce biomethane for grid injec- on or vehicles fuelling. APC and BA demonstrated to be able to permanently store CO : uptake kg CO/ ton APC, uptake 15-0 kg CO/ ton BA. BA and APC showed an improved leaching behavior a er the carbona on process: this means that a er carbona on process less metals are released if they come into contact with water. the APC and BA requirements and their availability within reasonable distances, put some constraints on the maximum size for the biogas upgrading plants. regenera on efficiency is limited by several factors.

7 UPGAS-LOWCO LAYMAN SREPORT Layoutdeiprocessietaglieindustrialiottimali (immagine sopra) Layout del processo AwR, taglia o male intorno a 50 Nm 3 /h di biogas in ingresso: (immagine so o) Layout del processo BABIU, taglia o male intorno a 100 Nm 3 /h di biogas in ingresso: (up) - AwR system layout, reference size 50 Nm 3 /h of input biogas (down) - BABIU system layout, reference size 100 Nm 3 /h of input biogas Layoutandhypotheticalindustrialscaleidentification

8 Costi/beneficiambientaliedeconomici: sos tuzione gas naturale tramite biometano rinnovabile: riduzione emissioni CO di origine fossile; risparmio di emissioni di CO grazie alla loro ca ura nei residui solidi carbonata ; applicazione del conce o di ecologia industriale : u lizzo dei residui solidi industriali come fon alterna ve di prodo alcalini, riduzione degli impa causa dal tra amento e smal mento di rifiu industriali, produzione di materiale inerte con conseguente risparmio di materie prime; simbiosi industriale nel campo della ges one dei rifiu : riu lizzo flussi di rifiu da incenerimento come materiali per il processo di up-grading (conseguente riduzione dei volumi di residui industriali conferi in discarica); cos specifici di up-grading: tecnologie convenzionali < 0.1 /kwh biometano, processo AwR /kwh biometano, UPGAS-LOWCO LAYMAN SREPORT processo BABIU /kwh biometano, in questo caso i cos di processo potrebbero essere interamente ricoper dall introito del tra amento e smal mento dei residui solidi; la scelta del luogo di installazione dei due processi di up-grading deve garan re l o mizzazione in termini di trasporto e disponibilità dei residui solidi; tale scelta ha un ruolo importante per quanto riguarda i benefici ambientali dei processi, sopra u o nei confron del risparmio di emissioni di CO Environmentaland economicalevaluations natural gas subs tu on with renewable biomethane: fossil CO emissions reduc on; CO emission saving due to CO storage in the carbonated solid residues; Applica on of industrial ecology concept: use of industrial solid residues as alterna ve alkalinity sources, industrial waste treatment reducing their environmental burden, produc on of inert material and thus raw material saving. industrial symbiosis at waste management level : reusing waste incinera on streams as input for upgrading process (i.e. reduc on of landfilled industrial residues) specific upgrading cost: for conven onal technologies < 0.1 /kwh biomethane AwR /kwh biomethane BABIU /kwh biomethane, in this case the upgrading process cost could be covered by income paid for residues disposal; BABIU and AwR can have a low environmental impact, though improvements would need to be made and care would need to be taken in selec ng where plants are installed to not only reduce its impact but also to ensure that enough materials are available.

9 Applicabilitàdelletecnologieproposte UPGAS-LOWCO LAYMAN SREPORT I risulta dello studio LCA evidenziano i benefici ambientali derivan dall applicazione dei due processi innova vi di upgrading. Tu avia, l applicabilità dei due processi risulta fortemente legata alla disponibilità di residui solidi. Per tale mo vo l installazione di tali tecnologie risulta par colarmente indicata per quei casi in cui produ ori di residui solidi (ad esempio inceneritori) e produ ori di biogas (discariche, impian di diges one anaerobica) siano presen nello stesso luogo. Discarica di Podere Rota - CSAI Spa Podere Rota MSW landfill site CSAI Spa LCA results showed several environmental benefits from the applica on of these two innova ve technologies, however wide applica on is limited by the availability of solid residues and suggested applica on is related with local study cases characterized by the presence in the same site of residues producer (i.e. incinerator) and biogas producer (i.e. landfill or anaerobic diges on plant). Transferabilityofprojectresults

10 Projectcoordinator: DipartimentodiEnergetica SergioStecco UniversitàdegliStudidiFirenze Italy DipartimentodiIngegneriaCivile UniversitàdiRoma"TorVergata" Italy ChemicalEngineeringDepartment UniversitatAutnomaBarcelona Spain Università degli Studi di Roma Tor Vergata Partners: CentroServiziAmbienteImpiantiS.p.A. Italy InstituteofWasteManagement DepartmentofWater, AtmosphereandEnvironment UniversityofNaturalResourcesand AppliedSciences,Vienna Austria ProgettorealizzatoconilsupportofinanziariodelprogrammaLifedell UnioneEuropea TheUPGAS-LOWCOProjectisco-fundedbytheEuropeanCommissionintheframeoftheLIFE+Programme